FOE | 华科、港科等15个机构联合发表光电融合前沿CPO技术长篇综述文章

第一作者：谭旻等

通讯作者：谭旻、须江 等

通讯单位：华中科技大学、香港科技大学等15个机构

内容简介

光电共封装（CPO）通过先进封装和电子与光子的协同优化，显著缩短电互连长度，是提升带宽密度和能效的颠覆性方法。CPO的核心思想是光电融合，硅平台是CPO的优选平台。CPO是一个跨学科的研究领域，涉及光子器件、集成电路、封装、建模仿真、应用、标准化等。本文旨在全面阐述CPO的最新进展、主要挑战及潜在解决方案，从而为读者提供有用的参考。相关工作以Co‑packaged optics (CPO): status, challenges, and solutions为题于2023年3月20日发表在Frontiers of Optoelectronics期刊上。本文从器件制备、激光器、DSP、建模仿真、标准等12个方面的内容对CPO的现状、挑战及解决方案进行了深入探讨。

内容1 ：器件制备

CPO技术需要开发先进的工艺制程及器件结构。在3D集成的CPO形式中，硅光子芯片作为较短距离互联的中间连接器件，可以实现更低的功耗。此外，标准的硅光子制造技术必须与封装进行协同开发，以实现更好的整体性能。

分内容负责人：冯俊波，[e-mail]，重庆联合微电子有限公司

内容2 ：外置激光器

分析了激光芯片的要求。结果表明，高输出功率和热电制冷器（TEC）是CPO外置激光器功耗的主要贡献因素。本小节提出了降低外置激光器器功耗的潜在解决方案。

分内容负责人：张华，[e-mail]，青岛海信宽带多媒体技术有限公司

内容3 ：光功率传输

光功率传输系统往往被过度简化或甚至被忽略。本节试图从三个方面阐述光功率传输中的基本问题，具体来说包括：功率需求的增长，需要什么技术，以及主要的挑战是什么。

分内容负责人：须江，[e-mail]，香港科技大学

内容4 ：用于CPO的DSP芯片

DSP芯片在CPO中扮演着重要角色。本节总结了主机端和线路端电互连的要求，并指出了DSP设计的考虑因素，包括收发机架构、时钟方案和均衡实现等。

分内容负责人：郑旭强，[e-mail]，中科院微电子所

内容5：用于CPO的微环阵列发射机

微环调制器具有小面积、高能效，且与波分复用兼容等特点，对CPO而言是一个非常有前途的候选方案。同时也面临着许多挑战，如波长控制和偏振敏感性等。本节总结了微环收发器阵列的挑战和最新的进展，并提供了应对这些挑战的建议。

分内容负责人：谭旻，[e-mail]，华中科技大学

内容6：基于马赫-曾德调制器（MZM）的CPO发射机

MZM已经商业化，是替换现有可插拔光模块的重要解决方案。然而，MZM驱动器设计在电压摆动、带宽、能量效率等其他方面面临着诸多挑战。本节重点介绍MZM发射机的驱动器设计。

分内容负责人：谭旻，[e-mail]，华中科技大学

内容7：CPO的光接收前端

与BiCMOS相比，基于CMOS的光接收器在集成度、能量效率和成本方面更加兼容CPO。本节将提供CMOS光接收前端芯片设计的最新进展，为未来CPO全集成电芯片的设计指明道路。

分内容负责人：李丹，[e-mail]，西安交通大学

内容8：面向CPO的2.5D和3D封装技术

2.5D、3D封装技术可以实现高带宽、低功耗的高集成度CPO。本节主要讨论IMECAS开发的2D/2.5D/3D硅光共封装模块、2D MCM光模块封装问题以及硅光晶元级封装的挑战。

分内容负责人：薛海韵，[e-mail]，中科院微电子所

内容9：面向CPO的电光联合仿真

电光联合仿真是大规模电光联合设计的前提条件。然而，这个领域相对不成熟，面临许多方法论及工程方面的挑战。主流方法是将光子器件模块集成到电子设计自动化平台中。本节主要讨论光子器件建模、时域仿真和频域仿真的挑战和解决方案。

分内容负责人：谭旻，[e-mail]，华中科技大学

内容10：关于高性能计算（HPC）光互连的系统考虑

本节将光互连链路分解为硬件和软件两部分，相应地讨论它们的现状、挑战以及它们如何影响光链路和网络的完整性。最后，本节讨论了光互连在未来HPC网络中的下一个里程碑。

分内容负责人：常天海，[e-mail]，华为技术有限公司

内容11：HPC中的光电混合接口

出于兼容性的考虑，HPC一直不愿意转向新技术。到目前为止，光电混合集成并没有真正发挥其集成优势。本节分析了CPO的不同互连设计考虑，并提出了加速CPO在HPC中应用的建议。

分内容负责人：罗章，[e-mail]，国防科技大学

内容12：CPO的发展与标准化

中国计算机互连技术联盟（CCITA）已经通过协调学术界和工业界，发起了中国CPO标准化的工作。本节概述了中国CPO标准化工作的技术和经济考虑。

分内容负责人：郝沁汾，[e-mail]，中科院计算所

总结

CPO技术是光电融合思想的重要应用，将给数据传输带来颠覆性的改变，是光电子信息领域的核心关键技术。本文从光器件、电子芯片、封装、建模仿真、标准化等多方面对CPO技术的最新进展、主要挑战及潜在解决方案进行了全面的阐述，以期加快我国在该技术领域的发展进程。

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作者介绍

谭旻，博导、华中科技大学集成电路学院和武汉光电国家研究中心双聘教授。主要研究领域为光电融合芯片设计及其建模仿真技术。主要研究贡献包括：通过集成电路设计与集成光子的有机结合，发展了以反馈控制为核心的模拟光电融合芯片设计新方向，并在高性能运放、动态电源、硬件复用及波长稳定性控制等方面做出了多项创新性的研究成果。目前已经在JSSC, TIT, TCAS-I, TCAS-II, JLT, OE, ISCAS等国际一流期刊和会议上发表一作及通讯作者论文40多篇，申请及获授权专利30余项。任ICTA等会议的技术委员会成员，《光通讯研究》期刊青年编委，《Frontiers of Optoelectronics》期刊青年编委，教育部学位与研究生教育发展中心评议专家，教育部学位中心博士论文评审专家，国家自然科学基金函评专家，中科院学部“光电融合集成”前沿交叉研判项目组成员，JSSC, TCAS-I, JLT, TPE, ISCAS, TCAS-II等多个杂志审稿人。开设了功率集成电路、高级功率集成电路、光电融合芯片与系统等课程。

联系邮箱：[e-mail]

联系网页：www.ephic.net

期刊简介

Frontiers of Optoelectronics (FOE)期刊是由教育部主管、高等教育出版社出版、德国施普林格（Springer）出版公司海外发行的Frontiers系列英文学术期刊之一，以网络版和印刷版两种形式出版。由北京大学龚旗煌院士、西安电子科技大学张新亮教授共同担任主编。

其宗旨是介绍国际光电子领域最新研究成果和前沿进展，并致力成为本领域内研究人员与国内外同行进行快速学术交流的重要信息平台。该刊的联合主办单位是高等教育出版社、华中科技大学和中国光学学会，承办单位是武汉光电国家研究中心。FOE期刊已被Emerging Sources Citation Index (ESCI), Ei Compendex, SCOPUS, INSPEC, Google Scholar, CSA, Chinese Science Citation Database (CSCD), OCLC, SCImago, Summon by ProQuest等收录。2019年入选中国科技期刊卓越行动计划梯队期刊项目。

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编辑：王亚琨

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